Ekstansometre Cihazlarının Seçimi ve Kullanımı Hakkında Önemli Hususlar. Important Questions on Extensometers Selection Criteria and Use

Transkript

1 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 7, No: 4, 2011 (73-82) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 7, No: 4, 2011 (73-82) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR e-issn: Teknik Not Ekstansometre Cihazlarının Seçimi ve Kullanımı Hakkında Önemli Hususlar Bülent AYDEMİR TUBİTAK - UME, Kuvvet Ölçümleri Lab., P.K.54, 41470, Gebze/KOCAELİ bulent.aydemir@ume.tubitak.gov.tr Özet Çekme, basma ve eğme testleri, malzemelerin kuvvet ve uzama özellikleri ölçülerek mekanik özelliklerinin belirlenmesinde kullanılır. Malzeme test makinasının kuvvet ve uzama ölçüm cihazlarının kalibrasyonu, test edilen malzemeden doğru ve güvenilir sonuçlar elde edebilmek için çok önemlidir. Geçmişte yapılan uygulamalarda, malzeme test makinasının yalnızca kuvvet değerinin doğruluğunun kontrolü cihazın doğru ölçtüğü manasına geliyordu. Uzama değerlerini ölçümünde kullanılan ekstansometre cihazlarının istenen teste uygun seçilmemesi ve uygun şekilde kullanılmaması bunun nedenidir. Ayrıca malzeme biliminde ekstansometrelerin seçimi ve kalibrasyonu çok önemlidir. Bu çalışmada, ekstansometre cihazlarının tipleri, ölçüm prensiplerine göre kullanım alanları ve test esnasında kullanımı detaylı olarak açıklanmıştır. Anahtar Kelimeler: Ekstansometre, Malzeme Test Makinası, Çekme-Basma Testi Important Questions on Extensometers Selection Criteria and Use Abstract Tension, compression and bending tests are applied on the materials for the determination of the mechanical properties of them as measuring of force and elongation properties. In order to get accurate and reliable results from tested materials, verification of force and elongation measurement devices of material testing machines is very important process in material science. In previous application, it was assumed that only force verification was adequate for the characterization of the materials accurately. The reason of that is unsuitable usage and unfit selection of elongation measurement devices which are called as extensometer. This causes the disregarding the verification of extensometers for material characterization. However, verification and appropriate selection of extensometer is very important process in material science data. In this study, types and measuring principles according to application area of the extensometers are introduced and explained in detail. Keywords : Extensometer, Material Testing Machine, Tension-Compression Test 1. GİRİŞ Malzeme çekme basma test makinalarını zaman içerisinde gelişmesini incelediğinizde kuvvet ölçme sistemlerinde çok az değişime rastlanmasına karşın ekstansometre sistemlerindeki önemli değişimleri gözlemleyebilirsiniz. En eski makinalarda, makinanın hareketli tablasının yer değiştirme miktarı bir ip aracılığı ile kaleme aktarılıyor; uzama değeri kalemin çizdiği grafikten belirleniyordu. Daha sonra numune üzerine kolları aracılığı ile tutturularak ölçüm alan ekstansometre cihazları kullanılmaya başlandı. Numune üzerindeki işareti takip edebilen optik ve lazer ekstansometreler diğerlerini takip etti. Son olarak ta numunenin görüntüsünü algılayarak işlem yapan video ekstansometre cihazları piyasada Bu makaleye atıf yapmak için Aydemir, B., Ekstansometre Cihazlarının Seçimi ve Kullanımı Hakkında Önemli Hususlar Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 2010,(7) How to cite this article Aydemir, B., Important Questions on Extensometers Selection Criteria and Use Electronic Journal of Machine Technologies, 2010,(7) 73-82

2 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Ekstansometre Cihazlarının Seçimi ve Kullanımı Hakkında satılmaya başlanmıştır. Zaman içerisinde ölçüm yöntemleri değişmesine rağmen ülkemizde bu konuda çok az sayıda yazılı dokumana ulaşılmıştır. Bu çalışma ile ülkemizde ve dünyada kullanmakta olan ekstansometre cihazlarının tipleri, ölçüm prensiplerine göre kullanım alanları ve test esnasında kullanımı hakkında önemli hususlar açıklanmıştır. Ayrıca ülkemizdeki ekstansometreler konusundaki makale boşluğunun doldurulması hedeflenmiştir. 2. EKSTANSOMETRE CİHAZI Malzeme test makinalarında uzama ölçümünde kullanılan cihazlara ekstansometre adı verilir. Ekstansometre teriminden yer değiştirme miktarını ölçen cihaz ve bu yer değiştirme miktarını gösteren yada kaydeden sistem anlaşılmalıdır [1]. Farklı malzemelerin mekanik özeliklerini belirleyebilmek için çekme, basma ve eğme testleri yaygın olarak kullanılır. Test esnasında malzemeye uygulanan kuvvetin ölçülmesinin yanında malzemede meydana gelen şekil değişiminin de (uzama, birim şekil değişim, basma deformasyonu, eğme deformasyonu) ölçülmesi ile malzemelerin mekanik özelikleri belirlenir. Çok farklı tip ve ölçüm biçimleri olan ekstansometre cihazlarının bazılarının resimleri Şekil 3-6 da gösterilmiştir [2,3,4,5,6] Ölçüm Şekline Göre Ekstansometreler Ekstansometre cihazları malzemede meydana gelen şekil değişimi 2 şekilde ölçülebilirler: 1. İndirekt (dolaylı) ölçüm 2. Direkt ölçüm Günlük hayatta her iki ölçüm arasında farklılık olmayacağı kabul edilse de, hassas ölçümlerde ve metrolojide her iki ölçüm değeri arasında farklılıklar olduğu bilinmektedir. Bu iki ölçüm yönteminin farklılıkları ve kullanıldığı durumlar aşağıda açıklanmıştır İndirekt (dolaylı) Ölçüm Yöntemi Şekil 1. İndirekt ölçüm yöntemi Şekil 2. Direkt ölçüm yöntemi İndirekt ölçüm yönteminde numunedeki şekil değişimi miktarına hareketli tablanın değişimi ile karar verilir. Bu durumda numunedeki şekil değişimi değerinin içine; makine gövdesi (vidalı mil, kolonlar, hareketli tabla), kuvvet ölçme cihazı, numune tutucular ve tutucu yüzeylerdeki hareketlerin hepsi dahil edilmiş olmaktadır (Şekil 1) [2]. İndirekt ölçüm için uygun durumlardan bazıları şunlardır: 74

3 Aydemir, B. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Basma testinde numunede yüksek miktarda deformasyon var ise (30mm veya 50mm gibi), Basma testinde makina gövdesinin kendi deformasyonun oluşturmayacak kadar düşük deformasyonlu numunelerde, Yüksek uzama değerlerinde, Basma testinde makina gövdesindeki deformasyon yazılım ile düzeltilebiliyor ise kullanılabilir Direkt Ölçüm Yöntemi Direkt ölçüm yönteminde, isminden de anlaşılacağı gibi numune üzerinden çeşitli yöntemlerle şekil değişimin ölçümü direkt yapılır (Şekil 2) [2]. Bu sayede makine gövdesi ve tutuculardan gelen değişimler elimine edilmiş ve çok daha hassas değerler elde edilmiş olur. Numunede meydana gelen şekil değişimlerini belirleyebilmek için özel ölçüm cihazları tasarlanmıştır. Ölçülen büyüklüğe göre bu cihazlar, 1. Uzama ölçerler (ekstansometre) 2. Genişlik ölçerler 3. Deformasyon ölçerler (basma ve eğme teslerinde) 4. Çatlak açıklığı ölçerler olarak adlandırılırlar (Şekil 3,4,5,6) [2,3,5]. Şekil 3. Uzama ölçer ekstansometre Şekil 4. Genişlik ölçer ekstansometre Şekil 5. Basma ve eğme ekstansometresi Şekil 6. Çatlak açıklığı ölçer ekstansometre Direkt ölçüm her zaman için tercih edilmeli, eğer: İlgili standard gerekliliklerine göre, Makina parçalarının elastik deformasyon önemli degil ise, Numunenin tutturma alanındaki davranışı sonuçları etkilemiyorsa (özellikle yumuşak malzemelerde önemlidir), Kendinden kapanmalı çeneler kullanıldığında çenelerdeki haraket önemli degil ise, kullanılmayabilir. 75

4 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Ekstansometre Cihazlarının Seçimi ve Kullanımı Hakkında 2.2. Ekstansometre Tipleri Genel olarak ekstansometreler numuneye bağlantı şekillerine göre 2 gruba ayrılırlar. Bunlar: 1. Numune üzerine tutturulan (temaslı) ekstansometreler a. sensör kollu ekstansometreler (Şekil 11,12) b. Ataçlı (clip-on) ekstansometreler (Şekil 3,4) c. Basma ve eğme ekstansometreleri (Şekil 5) d. Çatlak açıklığı ölçerler ekstansometreler (Şekil 6) 2. Temassız ekstansometreler Ölçüm prensiplerine göre ekstansometreler aşağıdaki şekilde sıralanabilir. Bunların dışında farklı ölçüm prensipli ekstansometreler bu çalışma kapsamında incelenmemiştir [2,3,4,5,6,7]. 1. Numune üzerine ataçlı (clip-on) ekstansometreler a. Statik ölçümlerde kullanılabilen ataçlı (clip-on) ekstansometreler (Şekil 7,10) b. Dinamik ölçümlerde kullanılabilen ataçlı (clip-on) ekstansometreler (Şekil 8) c. Yüksek sıcaklıkta çalışabilen ataçlı (clip-on) ekstansometreler (Şekil 9) 2. Makina gövdesine kızaklı, ataçlı, kısa mesafeli ekstansometreler (Şekil 11) 3. Makina gövdesine kızaklı, ataçlı, uzun mesafeli ekstansometreler (Şekil 12) 4. Lazer ekstansometreler (Şekil 13) 5. Optik ekstansometreler (Şekil 14) 6. Video ekstansometreler (Şekil 15) Şekil 7. Statik ölçümlerde kullanılan ataçlı (clip-on) ekstansometre Şekil 8. Dinamik ölçümlerde kullanılan ataçlı (clip-on) ekstansometre Şekil 9. Yüksek sıcaktaki ölçümlerde kullanılan ataçlı (clip-on) ekstansometre Şekil eksenli ölçümlerde kullanılan ataçlı (clip-on) ekstansometre 76

5 Aydemir, B. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Şekil 11. Makina gövdesine kızaklı, ataçlı, kısa mesafeli, 2 eksende ölçüm yapabilen ekstansometre Şekil 12. Makina gövdesine kızaklı, ataçlı, uzun mesafeli ekstansometre Şekil 13. Lazer ekstansometre Şekil 14. Optik ekstansometre Şekil 15. Video ekstansometre 77

6 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Ekstansometre Cihazlarının Seçimi ve Kullanımı Hakkında 3. EKSTANSOMETRE CİHAZLARININ SEÇİMİ KRİTELERİ Malzeme test makinalarında kullanılan ekstansometre cihazlarının seçiminde birden çok parametrenin birlikte değerlendirilerek en uygun çözümün bulunması gereklidir. Seçim için önemli parametreler ve alt grupları aşağıdaki şekilde belirlenebilir: 1. Test edilen malzeme a. Metal malzemeler b. Plastik malzemeler c. Elastomer malzemeler d. Tekstil malzemeleri 2. Test esnasında belirlenen parametreler a. Elastiklik (E) modülü b. Akma gerilmesi c. Akma uzaması d. Numune uzaması e. Kopma uzaması Öncelikle test edilecek malzemenin belirlenmesi gereklidir. Malzemeye göre test esnasında belirlenecek parametreler önemli ölçüde belirlense de, bazı özel testlerde istenenlere göre de test parametrelerin önemi değişebilir. Bu test parametreler için ektansometre cihazlarının değişkenleri olarak çözünürlük değeri, başlangıç boyu mesafesi (Lo) ve ölçme aralığı ( L) alınarak aşağıdaki grafikler oluşturulmuştur. Grafiklerde ekstansometre isimleri ölçüm prensibi gruplamasında koyu olarak yazılan kısaltmaları kullanılarak gösterilmiştir. Bu grafiklerde yer alan ekstansometre cihazları değerleri imalatçı bir firmanın ürünleri esas alınarak oluşturulmuş olup başka firmalara göre bu değerlerde küçük farklılıklar gözlenebilir[2,3]. Bu çalışma ile verilmek istenen, farklı ölçüm prensipli ekstansometre tiplerindeki kıyaslama için gerekli ön bilgiyi sağlamaktır. Ekstansometre cihazları çözünürlüklerine göre incelendiğinde, numuneye ataçlı (clip -on) ekstansometreler ile 0,0001mm çözünürlük değerinin daha da altında ölçüm yapılabilmektedir. Sırası ile kısa mesafeli, video, optik, uzun mesafeli ve lazer ekstansometreler olarakta çözünürlük değerleri kötüleşmektedir. Çekme testi esnasında belirlenen parametrelere göre en düşük çözünürlük değerinin elastiklik (E) modülünün belirlenmesinde gerekli olduğu Şekil 16 da görülmektedir. Test yapılan numuneler içerisinde en düşük çözünürlük değerine ihtiyaç olan metal malzemeler olduğu daha sonra plastik ve elastomer ve tekstil malzemelerinin geldiği şekil 16 da görülmektedir. Ekstansometre cihazlarının numune tutma başlangıç boyuna (Lo) göre incelendiğinde en geniş aralığa video ekstansometrenin sahip olduğu şekil 17 de gösterilmiştir. Test edilen numunelere göre en kısa başlangıç boyuna plastik ve elastomer malzemelerin, en uzun mesafe olarak ta tekstil malzemelerinin olduğu görülmektedir. 78

7 Aydemir, B. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Şekil 16. Ekstansometre cihazının çözünürlük değerine göre farklı ölçüm prensipleri çözümler ve uygulama alanları Şekil 17. Ekstansometrenin başlangıç boyuna (Lo) göre farklı ölçüm prensipleri çözümler ve uygulama alanları 79

8 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Ekstansometre Cihazlarının Seçimi ve Kullanımı Hakkında Şekil 18. Ekstansometrenin ölçme aralığına ( L) göre farklı ölçüm prensipleri çözümler ve uygulama alanları Ekstansometreler ölçüm aralıklarına ( L) göre incelendiğinde, numuneye ataçlı (clip -on) ekstansometreler 0,01 mm 40 mm arasında ölçüm alabilirken, video ekstansometreler 0,1 mm 1000 mm arasında ölçüm alabilmektedirler. Çekme testi esnasında belirlenen parametrelere göre düşük ölçüm aralıkları E modül değeri için, yüksek ölçüm aralıkları da kopma uzaması için önemli olduğu şekil 18 de gösterilmiştir. 4. EKSTANSOMETRE CİHAZLARININ KULLANIMI ESNASINDA DİKKAT EDİLMESİ GEREKENLER Tüm ekstansometrelerde numune ile ölçüm cihazı arasındaki etkileşim en önemli parametrelerdendir. Optik, lazer ve video ekstansometrelerde etkileşim numune üzerine yapıştırılan veya işaretlenen bölgelerin ölçüm cihazı tarafından takibi ile sağlanır. Bu işaretlemelerin numune üzerinde düzgün bir şekilde konumlandırılması, test esnasında herhangi işaretleme bozulmasının olmaması ve ölçüm cihazının numuneyi tam olarak görecek şekilde konumlandırması ölçüm sonuçlarının sağlıklı alınmasını sağlayacaktır. Numuneye temas eden ekstansometre tiplerinde ise (clip -on, kısa mesafeli, uzun mesafeli ekstansometreler) numuneye temas çok önemlidir. Ekstansometre ayakları numuneyi test esnasında kaydırmayacak şekilde tutabiliyor olmalıdır. Ayaklardaki herhangi bir oynama ölçüm değerlerinizi olumsuz yönde etkileyecektir. Ekstansometre üreticileri hataları en aza indirebilmek için farklı testler için farklı ekstansometre ayak tipleri geliştirmişlerdir (şekil 19). Ayrıca ekstansometre ayakları numuneyi tek noktadan temas edecek şekilde olması amacıyla 2 farklı temas yüzeyi numuneye göre seçim imkanı bu ekstansometre ayaklarında mümkün olmaktadır. Şekil 20 de görüldüğü gibi silindirik numuneler için ekstansometre ayaklarının yüzeyleri düz olmalı; düz numunelerde ise silindirik yüzeyli ekstansometre ayakları kullanılmalıdır. Eğer numune kopuncaya kadar ekstansometre cihazını kullanıyorsanız, numune kopma esnasında oluşan ani hareketten dolayı ekstansometre ayaklarının hasar görmesini engellemek amacıyla, şekil 21 de gösterildiği şekilde ayaklar hareket edebiliyor olmalıdır[2]. 80

9 Aydemir, B. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Ekstansometrede çok hassas ölçümler yapılması istendiğinde, ortam sıcaklığının etkisi dikkate alınmalıdır. Düşük sıcaklıkta yapılan ölçümler ile yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilen ölçümler arasındaki farklılıklar sıcaklık düzeltmesi uygulanarak giderilebilir. Ekstansometre ölçümlerinin doğruluğu, TS EN ISO 9513(2005), EN ISO 9513(2002) veya ASTM E 83-10(2010) standartlarına uygun olarak kalibrasyonunu yaptırılarak sağlanır. Kalibrasyon sonucu ekstansometrenin sınıf değerine göre hangi doğrulukta test ölçümleri yapılabileceği belirlenmiş olacaktır. Bu standardın tavsiyesine göre, ölçmelerin doğruluğunu etkileyebilecek, önemli elemanlarının onarım veya ayarı yapılmadan kullanıldığında 12 ayda bir kalibrasyon tekrarlanmalıdır[8,9,10,11]. Üst ayak Alt ayak Çekme Testi Basma Testi Eğme Testi Şekil 19. Çekme, basma ve eğme testleri için ekstansometre ayaklarının şekilleri Şekil 20. Ekstansometre ayaklarının yuvarlak ve düz numunelere temas şekilleri Kopma öncesi Kopma sonrası Şekil 21. Kopma öncesi ve sonrası ekstansometre ayaklarının fonksiyonal şekili 5. SONUÇ VE ÖNERİLER Malzeme test makinalarında doğru test sonuçlarına ulaşabilmek için sadece kuvvet değerini doğru ve hassas olarak bilmek yeterli olmamaktadır. Test yapılacak malzemeye ve test sonrası istenen parametrelere göre uygun olarak seçilmiş bir ekstansometre cihazının da olması gereklidir. İlave olarak ekstansometre cihazının kullanımı esnasında da çalışmada açıklanan hususlarda dikkate alınarak sağlıklı bir ölçüm alınmış olacaktır. Tüm şartlarının sağlanması ile malzemelerin belirlenen mekanik özelliklerinin güvenirliğinden bahsedilebilir. 81

10 Teknolojik Araştırmalar: MTED 2010 (7) Ekstansometre Cihazlarının Seçimi ve Kullanımı Hakkında 6. KAYNAKLAR 1. Aydemir, B., Malzeme Test Makinası Ekstansometre Kalibrasyon Eğitim Dokümanı, UME, Extensometers for materials testing machines, Zwick/Roell, Dokuman no FP BS EN ISO 9513, Metallic materials Calibration of extensometers used in uniaxial testing Machines, TS EN ISO 9513, Metal malzemeler Tek eksenli deneylerde kullanılan ekstansometrelerin kalibrasyonu, ASTM E83-10, Standard Practice for Verification and Classification of Extensometer Systems, Aydemir, B., Fank, S., Pelit, E., Vatan,C., Malzeme Test Makinası Ekstansometre Cihazlarının Kalibrasyonu, VII. Ölçüm Bilim kongresi, İzmir,